数控技术课程设计数控铣床X轴设计.doc
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1、 课程名称:数控技术课程设计 学 院: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导老师: 2011年1月5日目 录1概述41.1技术要求51.2总体方案设计62设计计算62.1主切削力及其切削分力计算62.2导轨摩擦力的计算72.3计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力82.4滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算82.5初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号112.6由式确定滚珠丝杆螺母副的预紧力122.7计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力122.8确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号123工作台部件的装配图设计144滚珠丝杆螺母副的承载能力校验154.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验154.2滚珠丝杆螺
2、母副临界转速的校验154.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验155计算机械传动系统的刚度165.1机械传动系统的刚度计算165.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算176驱动电动机的选型与计算186.1计算折算到电动机轴上的负载惯量186.2计算折算到电动机轴上的负载力矩186.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩196.4选择驱动电动机的型号207机械传动系统的动态分析217.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率217.2计算扭转振动系统的最低固有频率218计算传动系统的误差计算与分析228.1计算机械传动系统的方向死区228.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差228.
3、3计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差229确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号239.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级239.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号2310 数控机床控制系统设计2310.1数控系统硬件电路设计2310.2数控系统软件电路设计2811总结与体会38参考文献38XK715D立式数控铣床工作台(X轴)设计1概述 数控铣床 定义:数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两都的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别. 如图所示,数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成: 1、主轴
4、箱 包括主轴箱体和主轴传动系统,用于装夹刀具并带动刀具旋转,主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。 2、 进给伺服系统 由进给电机和进给执行机构组成,按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动,包括直线进给运动和旋转运动。 3、控制系统 数控铣床运动控制的中心,执行数控加工程序控制机床进行加工。 4、 辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。 5、 机床基础件 通常是指底座、立柱、横梁等,它是整个机床的基础和框架XK715D 立式数控铣床 特点与用途:XK 715D立式数控铣床主要用于中小型零件模具等多品种加工,工件一次装夹后,可自动高效、高精度的连续完成铣、钻、
5、镗、铰等工序。该机床主要构件刚度高,主轴转速恒功率范围宽,低转速扭矩大,可进行强力切削。主轴轴承采用进口轴承,主轴运转时精度高、噪声低、震动小、热变形小。XK 715D立式数控铣床技术参数项目单位 参数型号 XK715D工作台面尺寸mm 1200520坐标行程(X、Y、Z) mm 880500610主轴最高转速 rpu 8000主电机功率 KW 11/15主轴镗孔 MAS403 BT40工作台最大承重kg1000主轴端面至工作台面距离 mm 125735定位精度 mmX:0.020 Y:0.014 Z:0.016重复定位精度 mmX:0.012 Y:0.008 Z:0.010数控系统HNC-2
6、1M/22M华中“世纪星”数控系统1.1技术要求 X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=1200*520*50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = 上导轨重量为电机重量夹具及工件重量:约1588NX-Y工作台运动部分总重量为:工作台、工件和夹具的总重量=1000kg(所受的重力W=9800N),其中,工作台的质量=600kg(所受的重力=5880N);工作台的最大行程=880mm;工作台快速移动速度=15000;工作台采用贴塑导轨,导轨的动摩擦系数=0.15,静摩擦系数=0.2;工作台的定位精度为20,重复定位精度为12;机床的工作寿命为20000h(即工作时间为10年)机床采用主轴服电
7、机,额定功率=11,机床采用端面铣刀进行强力切削,铣刀直径D=125mm,主轴转速n=8000,切削状况如表2-1所示表2-1数控铣床的切削状况切削方式进给速度/时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给1.2总体方案设计为了满足以上技术要求,采取以下技术方案。(1) 工作台工作面尺寸(宽度长度)确定为520mm1200mm。(2) 工作台的导轨采用矩形导轨,在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯(PT-FE)导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙,在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨
8、背面与背板的间隙,并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。(3) 对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施,并对滚珠丝杆进行预拉伸。(4) 采用伺服电机驱动。(5) 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。2设计计算2.1主切削力及其切削分力计算(1)计算主切削力。根据已知条件,采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削(铣刀直径D=125mm)时,主轴具有最大扭矩,并能传递主电动机的全部功率。此时,铣刀的切削速度为若主传动链的机械效率,按式可计算主切削力;-机床主轴的计算转速(主轴转速全部功率时的最低切削速度,;-机床主传动系统的传动功率,一般取。(2)计算各切削分力。根据表2-2
9、可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为表2-2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值切削条件比值对称端铣不对称端铣逆铣顺铣端铣圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣-2.2导轨摩擦力的计算(1)按式(2-8a)计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时,动摩擦系数,、-主切削力的垂向切削分力(N)和横向切削分力(N);W-坐标轴上移动部件的全部重量(包括机床夹具和工件的重量,N);-摩擦系数,随导轨形式不同而不同,对于帖塑导轨,=0.15;对于滚动直线导轨,=0.01;-镶条紧固力(N),其推荐值可查表2-3得镶条紧固力=2500N,则=0.15(9800+2500+159.75+92.49)N=18
10、82.84N表2-3 镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/kw2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175(2) 按式,计算在吧切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力。=0.15(9800+25000)N=1845N=0.2(9800+2500)N=2460N2.3计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力(1)按式, -主切削力的纵向切削力 =(62.26+1882.84)N=1945.1N(2)按式N计算最小轴向负载力 =1845N2.4滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算1)确定滚珠丝杆的导程根据已知条
11、件,取电动机的最高转速,则由式得:2)计算滚珠丝杆螺母副得平均转速和平均载荷(1)估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷,快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削(粗加工)和精细切削(精加工)时,滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算:,并将计算结果填入表2-4。表2-4 数控铣床滚珠丝杆的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/()时间比例/()备注强力切削1945.1010一般切削(粗加工)2234.0230精细加工(精加工)1942.2650快移和定镗定位184510(2) 计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速(3)按式计算滚
12、珠丝杆螺母副的平均转速。(4) 按式计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷(1)按预定工作时间估算。查表2-5得载荷性质系数。已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级,查表2-6得精度系数。查表2-7得可靠性系数,额定寿命则由式得表2-5 载荷性质系数载荷性质无冲击(很平稳)轻微冲击伴有冲击或振动11.21.21.51.52表2-6精度系数精度等级1、2、34、571010.90.80.7 表2-7可靠性系数可靠性/()90959697989910.620.530.440.330.21(2) 因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧,所以可按式估算最大轴向载荷。查表2-8得欲加动载荷
13、系数,则表2-8 欲加动载荷系数欲加载荷类型轻预载中预载重预载6.74.53.4(3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。取以上两种结果的最大值,即=37117.37N。4)按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经(1)根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为20,重复定位精度为12,根据公式重复定位精度和定位精度以及定位精度和重复定位精度的要求,得,取上述计算结果的较小值,即。(2)估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。本机床工作台(X)轴滚珠丝杆螺母副的安装方式拟采用两端固定式。滚珠丝杆螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2余程+螺母
14、长度+支承长度(1.21.4)行程+(2530)取L=1.4行程+30=(1.4880+3010)mm=1532mm,又=2460N,由式得2.5初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的、,初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆螺母副FFZD5010-5,其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝杆底径如下:,,,故满足式,的要求。2.6由式确定滚珠丝杆螺母副的预紧力2.7计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力(1) 按式计算目标行程补偿值-目标行程补偿值;-温度变化值(),一般情况下为23;-丝杆的线膨胀系数(1/),一般情况下为;-滚珠丝杆副的有效行程。已知温度变化值,丝杆的
15、线膨胀系数,滚珠丝杆副的有效行程=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度 =(880+100+220+146)mm=1166mm,故(2)按式计算滚珠丝杆的预拉伸力。已知滚珠丝杆螺纹底径,滚珠丝杆的温度变化值,则2.8确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号(1)按式计算轴承所承受的最大轴向载荷。(2) 计算轴承的预紧力(3) 计算轴承的当量轴向载荷(4)按式计算轴承的基本额定动载荷。已知轴承的工作转速,轴承所受的当量轴向载荷,轴承的基本额定寿命。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 因为,所以查表2-9得,径向系数X=1.9,轴向系数Y=0.54,故表2-9 载荷系数组合列数2列3列4列承载列数1列
16、2列1列2列3列1列2列3列4列组合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTTX1.9-1.432.33-1.172.332.53-Y0.54-0.770.35-0.890.350.26-X0.920.920.920.020.020.920.920.920.92Y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0(5)确定轴承的规格型号因为滚珠丝杆螺母副拟采取预拉伸措施,所以选用角接触球轴承组背对背安装,以组成滚珠丝杆两端固定的支承形式。由于滚珠丝杆的螺纹底径为44.3mm,所以选择轴承的内径为40mm,以满足滚珠丝杆结构的需要。在滚珠丝杆的两个固定端均选择国产角接触球轴承两件
17、一组背对背安装,组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为760308TNI/P4DFB,尺寸(内径外径宽度)为40mm90mm23mm,选择脂润滑。该轴承的预载荷能力为5600N,大于计算所得的轴承预紧力=2647.25N.并在脂润滑状态下的极限转速为1500r/min,等于滚珠丝杆的最高转速,故满足要求。该轴承的额定动载荷为=50000N,而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷=42720.89N,也满足要求。3工作台部件的装配图设计将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计(见本课程设计插页图1)。其计算简图如下图所示,本课程设计后插页图2为电机接线图,插页图3为电机控制图。4
18、滚珠丝杆螺母副的承载能力校验4.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构,丝杆始终受拉而不受压,因此,不存在压杆补稳定问题。4.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验根据以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度=1117.5mm。已知弹性模量,材料密度,重力加速度,安全系数。查参考文献表2-44得。滚珠丝杆的最小惯性矩为滚珠丝杆的最小截面积为故可由式得 本丝杆螺母副的最高转速为1500,远远小于其临界转速,故满足要求。4.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿命,主要是指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杆在相同的条件下回转时,其中90不
19、发生疲劳剥落的情况下运转的总转速查参考文献附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷,运转条件系数,滚珠丝杆的轴向载荷,滚珠丝杆螺母副转速,由式,得, 一般来讲,在设计数控机床时,应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命故满足要求5计算机械传动系统的刚度5.1机械传动系统的刚度计算(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度。本工作台的丝杆支承方式为两端固定,当滚珠丝杆的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置时时,滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度,可按式计算: 当或时(即滚珠丝杆的螺母中心位于行程的两端位置时),滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度,可按式计算:(2)计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度。已知轴承接触角,滚动体直径,滚动
20、体个数Z=17,轴承的最大轴向工作载荷,查参考文献表2-45、2-46得(3) 计算滚珠与滚道的接触刚度查参考文献附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度,额定载荷,滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷,故由式得(4) 计算进给传动系统的综合拉压刚度。由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故。5.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由以上计算可知,扭转作用点之间的距离已知剪切模量,滚珠丝杆的底径。由式得6驱动电动机的选型与计算6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量(1)计算滚珠丝杠的转动惯量。已知滚珠丝杠的密度,由式得(2)计算联轴器的转动量。(3)计算折算到电
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